Μια δέσμη «στριμμένων» νετρονίων με μια καλά καθορισμένη τροχιακή γωνιακή ορμή (OAM) δημιουργήθηκε από ερευνητές στον Καναδά και τις ΗΠΑ. Αυτό έγινε περνώντας μια δέσμη νετρονίων από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα μέσω μιας ειδικής διάταξης δικτυωμάτων περίθλασης. Περιγράφεται ως η πρώτη παρατήρηση μιας δέσμης νετρονίων με ένα καλά καθορισμένο OAM, το πείραμα είναι το αποκορύφωμα πολλών ετών εργασίας από ορισμένα από τα μέλη της ομάδας, τα οποία ανέφεραν για πρώτη φορά δοκιμαστικές παρατηρήσεις στριμμένων νετρονίων το 2015.
Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τα υποατομικά σωματίδια όπως τα νετρόνια συμπεριφέρονται και σαν κύματα και σαν σωματίδια. Αυτή η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου έχει δημιουργήσει το ευρύ και γόνιμο πεδίο της σκέδασης νετρονίων, όπου οι εσωτερικές δομές των υλικών διερευνώνται χρησιμοποιώντας δέσμες νετρονίων από πυρηνικούς αντιδραστήρες και επιταχυντές. Ενώ τέτοια πειράματα χρησιμοποιούν εδώ και καιρό την εγγενή γωνιακή ορμή (σπιν) του νετρονίου, οι φυσικοί ενδιαφέρονται επίσης να δημιουργήσουν και να ανιχνεύσουν δέσμες στριμμένων νετρονίων που φέρουν OAM.
Οι ερευνητές μπόρεσαν ήδη να δημιουργήσουν δέσμες από στριμμένο φως και στριμμένα ηλεκτρόνια στο οποίο τα μέτωπα κύματος περιστρέφονται γύρω από την κατεύθυνση διάδοσης, μεταφέροντας έτσι το OAM. Αυτές οι δέσμες έχουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών ρεύματος και πιθανών, συμπεριλαμβανομένης της μελέτης χειρόμορφων μορίων και της ενίσχυσης της χωρητικότητας των οπτικών συστημάτων τηλεπικοινωνιών.
Πειραματικές προκλήσεις
Μέχρι στιγμής, ωστόσο, οι φυσικοί έχουν αγωνιστεί να δημιουργήσουν δέσμες στριμμένων νετρονίων. Το 2015, Ντμίτρι Πούσιν και συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο του Waterloo, μαζί με φυσικούς στο Joint Quantum Institute στο Maryland και το Πανεπιστήμιο της Βοστώνης δημοσίευσαν μια εργασία στο Φύση ότι περιέγραψε μια τεχνική για τη δημιουργία συνεστραμμένων νετρονίων περνώντας μια δέσμη νετρονίων μέσω μιας πλάκας σπειροειδούς φάσης (SPP) - μια συσκευή που έχει χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία συνεστραμμένου φωτός και συνεστραμμένων ηλεκτρονίων.
Το έκαναν αυτό χωρίζοντας μια δέσμη νετρονίων στα δύο και στέλνοντας μια δέσμη μέσω του SPP. Στη συνέχεια, οι δύο δέσμες ανασυνδυάστηκαν και οι ερευνητές μέτρησαν ένα φαινόμενο παρεμβολής που σχετίζεται με την τροχιακή γωνιακή ορμή. Ωστόσο, το 2018 μια ανεξάρτητη ομάδα φυσικών δημοσιευμένοι υπολογισμοί Αυτό έδειξε ότι το φαινόμενο παρεμβολής που μετρήθηκε από τον Pushin και τους συνεργάτες του δεν σχετιζόταν με την τροχιακή γωνιακή ορμή.
Απτόητοι, ο Πούσιν και οι συνεργάτες του ακολούθησαν μια νέα προσέγγιση και τώρα διεκδικούν την επιτυχία. Αντί να χρησιμοποιήσουν ένα SPP, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια ολογραφική τεχνική που περιλαμβάνει μια σειρά από εκατομμύρια ειδικές σχάρες κατασκευασμένες από πυρίτιο. Κάθε σχάρα έχει μια «εξάρθρωση πιρουνιού» όπου μια από τις γραμμές της σχάρας χωρίζεται σε τέσσερις γραμμές, δημιουργώντας μια δομή που μοιάζει με πιρούνι (βλ. σχήμα).
Έξι εκατομμύρια σχάρες
Κάθε σχάρα έχει μέγεθος τετράγωνο ενός μικρού και περιλαμβάνει δομές πυριτίου που έχουν ύψος 500 nm και χωρίζονται κατά περίπου 120 nn. Η συστοιχία καλύπτει μια περιοχή 0.5×0.5 cm2 και περιλαμβάνει πάνω από έξι εκατομμύρια ατομικές σχάρες.
Οι φυσικοί αμφισβητούν τα «στριμμένα» νετρόνια
Η ομάδα δοκίμασε το σύστημά της σε μια γραμμή δέσμης σκέδασης νετρονίων μικρής γωνίας (SANS) στον αντιδραστήρα ισοτόπων υψηλής ροής στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί. Οι ερευνητές λένε ότι η διάταξη SANS προσέφερε πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της ικανότητας χαρτογράφησης της δέσμης νετρονίων στο μακρινό πεδίο - πράγμα που σήμαινε ότι μια ολογραφική τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία των συνεστραμμένων νετρονίων. Επίσης, τα όργανα στη γραμμή δέσμης θα μπορούσαν να προσαρμοστούν για τη μέτρηση της τροχιακής γωνιακής ορμής των νετρονίων.
Αφού πέρασε μέσα από τη διάταξη, η δέσμη νετρονίων διένυσε απόσταση 19 μέτρων μέχρι μια κάμερα νετρονίων. Οι εικόνες που τραβήχτηκαν από την κάμερα δείχνουν το χαρακτηριστικό μοτίβο σε σχήμα ντόνατ που αναμένεται από μια δέσμη στριμμένων νετρονίων που βρίσκεται σε μια συγκεκριμένη κατάσταση τροχιακής γωνιακής ορμής. Τα σχέδια σε σχήμα ντόνατ είχαν διάμετρο περίπου 10 cm.
Η ομάδα λέει ότι η εγκατάστασή τους θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη των τοπολογικών ιδιοτήτων της ύλης – ιδιότητες που θα μπορούσαν να αποδειχθούν χρήσιμες στην ανάπτυξη νέων κβαντικών τεχνολογιών. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί σε θεμελιώδεις μελέτες για το πώς η τροχιακή γωνιακή ορμή επηρεάζει τον τρόπο αλληλεπίδρασης των νετρονίων με την ύλη.
Η έρευνα περιγράφεται στο Προκαταβολές Επιστήμη.
